LTE-Advanced系统中的Relay技术研究和标准化

王 竞，刘光毅

(中国移动通信研究院 北京 100053)

1 引言

对于移动通信系统，Relay并不是新概念，在GSM系统中广泛应用的直放站(Repeater)就是一种简单的Relay技术。Repeater对射频信号直接放大转发，不能区分信号、干扰与噪声，因此，在放大信号的同时也会放大干扰与噪声。由于上述原因，Repeater仅能用于覆盖范围的提升，例如，盲点覆盖等应用。对于小区容量Repeater没有任何贡献，若网络规划不好，甚至还会干扰原小区用户，降低系统容量。在LTE-Advanced系统中，Relay作为核心技术之一，不仅具备扩展网络覆盖的能力，还具备提高网络容量的可能。在Relay节点引入基带信号处理，Relay节点不仅能够放大信号，抵抗移动信道的大尺度衰落，还可以抑制干扰与噪声。Relay节点在网络中的两种基本部署场景如图1所示。

由于Relay不仅能够扩展网络覆盖，也可能提高网络容量，因此Relay技术的应用也不再局限于网络补盲或农村等偏远地区。在热点地区，Relay节点可补偿无线信道大尺度衰落，抑制对干扰和噪声的放大，提升系统容量。另外，由于Relay节点采用无线回传技术，不需要光纤接入，而且对无线传播环境也远不如微波链路那样敏感，因此Relay节点具有部署灵活、快速的特点。面对自然灾害，可快速部署多跳Relay节点提供应急通信。在公共交通中，例如高速铁路，可在车厢部署Relay节点，补偿无线信号穿透损耗，为旅途中的用户提供高速数据接入服务。

图1 Relay节点在网络中的两种基本部署场景

对于运营商，Relay节点具有较低的建设与运营成本。随着移动互联网业务的快速增长，以广域覆盖为基本目标的宏基站网络部署无法满足未来大容量、高速率数据接入的业务需求。若采用“小区分裂”提升系统容量，宏基站部署密度将随业务增长而倍增，这将大大增加运营商的网络建设与运营成本。面向未来大容量、高速率的业务需求以及低成本的分组数据接入，运营商的网络部署同样需要与时俱进。在向用户提供高品质数据接入服务的同时，降低网络建设与运营成本，只有这样，移动通信运营商才能在未来低廉的分组数据接入服务中获得盈利。Relay节点不需要光纤接入，可避免接入网对站点部署的制约以及网络建设成本的增加。一体化、小型化的Relay产品，可回避站址资源对运营商的困扰，大幅降低网络运营成本。Relay作为LTE-Advanced系统的关键技术之一，不仅能够扩展网络覆盖，提升系统容量，而且也为网络部署提供了多样化的解决方案。

2 Relay技术综述

如前所述，Repeater是一种简单的Relay技术。以下行链路为例，Repeater在接收基站发射信号的同时，经射频放大后向终端转发。射频放大转发虽然不能抑制噪声与干扰，但其具有低处理延时的优点。通常Repeater的处理延时仅数个μs。由于Repeater在一个载波上全双工收发，因此工程部署中不得不考虑对收发天线空间隔离，以防止Repeater自激 (即Repeater的发射信号被自己接收放大后再发射)。Repeater收发天线空间隔离度的要求为工程部署带来诸多不便，大大制约了Repeater的实际应用。

Relay站点系统结构如图2所示。Relay首先对接收信号进行基带处理，甚至解调、译码，然后再将接收信号编码、调制并转发。由于考虑了基带信号处理，因此Relay具备抑制干扰与噪声的能力。Relay也需要付出更多处理延时的代价，基带处理越多，处理延时也就越大。

（1）AF 与 DF Relay

AF(amplify and forward)Relay，也称为 Smart Repeater。对于下行链路，Relay节点(RN)接收基站发射的OFDMA信号，并将该信号IFFT解调后，依据不同子载波经历的各不相同的信道衰落，对不同子载波采用不同的放大补偿，然后再对该信号FFT调制，并转发。由于LTE下行链路采用OFDMA机制，各用户子载波资源相互正交，RN可在IFFT解析接收信号后，依据其服务的UE对下行信号进行选择性放大转发，这可缓解中继站放大转发对系统引入的干扰。若RN具备资源调度的能力，RN可依据eNB-RN和RN-UE链路的独立性，为转发数据选择不同的子载波，充分利用两跳链路空间信道的独立性提高链路容量。需要说明的是AF Relay并不对接收信号解调和译码，因此不能抑制系统对噪声和部分干扰信号的放大。

DF(decoding and forward)Relay，即译码和转发。RN接收到发射信号后，先对接收信号解调和译码，而后重新编码调制，再转发。与AF Relay相比，DF Relay不仅能够过滤干扰，还能够抑制噪声。考虑两跳等效链路，AF与DF Relay等效信噪比如下：

显然，AF Relay对噪声有放大作用，但DF Relay等效链路信噪比是两跳链路信噪比的最小值，因此DF Relay的链路性能要优于AF Relay。DF Relay在解调译码后，可获得原始的编码块，因此，RN完全可以通过CRC校验来判断译码是否正确。如果RN判断译码错误，就没有再次转发的必要了，因为即使转发，接收端也不能获得正确的数据信息，依然需要重发。RN的这种选择式转发功能(SDF)不仅能够降低链路延时，而且还能避免不必要的转发导致的干扰问题。

图2 Relay站点下行链路系统结构

关于处理延时，AF Relay需要至少侦听一个完整的OFDM符号，方可解析和处理接收信号，因此处理延时至少为一个OFDM符号周期 (若LTE系统采用普通循环前缀，OFDM符号周期大约为71.4 μs；若LTE系统采用扩展循环前缀，OFDM符号周期大约为83.4 μs)。DF Relay至少需要侦听一次完整的数据传输，即1 ms，方可进行译码处理。而Turbo译码带来的延时与设备处理能力密切相关。在LTE系统中，接收机从开始接收一次数据传输，到反馈ACK/NACK延时为4 ms，因此可粗略认为DF Relay的处理延时也是4 ms。

·Outband与Inband Relay

Outband Relay指Backhaul link(eNB与RN之间的回传链路)与Access link(eNB或RN与UE之间的接入链路)采用不同的载波。如果Backhaul与Access分配的载波有足够保护带宽，Outband Relay可实现全双工收发，即RN在接收Backhaul或Access链路信号的同时，可向Access或Backhaul链路发射信号。Inband Relay指Backhaul link与Access link采用相同的载波。由于同频转发，Inband Relay不能实现全双工收发，除非收发天线有足够的空间隔离度，但这又会约束RN的部署要求和应用场景。

由于全双工收发，Outband Relay较Inband Relay具有更高的链路容量。Backhaul link设计可不考虑对Access link的影响，且系统设计简单，Backhaul link甚至可以直接复用Access link设计方案。由于不能全双工收发，Inband Relay在链路容量上不比Outband Relay。RN在发射时不能接收，而在接收时又不能发射，因此相同数据分组需要经历两次收发才能完成一次传输，这就是Inband Relay的duplex loss。虽然Duplex loss会制约Inband Relay对链路容量的改善，但考虑到RN能够补偿大尺度链路损耗，因此Inband Relay依然存在提升链路容量的可能。虽然Duplex loss的存在会使Inband Relay链路容量受损，但同时也回避了RN收发天线隔离度的问题，使得RN具备部署灵活、快速、方便的特性。另一方面，由于Backhaul与Access link工作在同一载波上，Inband Relay只需一套射频通道，而全双工的Outband Relay至少需要两套射频通道，因此Inband Relay的设备成本会优于Outband Relay。

· 透明与非透明Relay

透明Relay指UE不能感觉到RN参与到其与基站的通信过程中；非透明Relay指UE能够识别RN节点，并清楚RN在其与基站通信过程中起到的作用。由于透明与非透明Relay对RN定位及功能要求的不同，会导致完全不同的系统设计。例如，非透明Relay具有独立的小区ID，UE可驻留在该小区内，并且RN具备普通宏基站对UE的管理和无线资源调度功能；透明Relay不具备独立的小区ID，UE不能识别RN，且依然驻留在宏小区内，透明RN仅能辅助基站与UE的通信，并不能独立完成对UE的管理和资源调度。表1从多个角度对比了透明与非透明Relay的不同。

表1 透明与非透明Relay比较

由于对物理信道的不同支持以及RN功能的不同，透明与非透明Relay具有不同的应用场景。透明Relay不具备独立的小区ID和物理控制信道，因此不能用于系统补盲及覆盖扩展等应用场景。关于系统容量的提升，非透明Relay依靠中继站对大尺度衰落的补偿，提高了两跳链路容量；透明Relay则可通过RN与RN之间或者RN与基站之间的协作提高链路质量，从而获得链路容量的提升。

· Relay系统的协作与复用

图3 Relay系统资源复用与协作分集示例

Relay部署为网络提供了更为丰富的站址资源和天线资源，如何充分利用这些网络资源提升系统容量是Relay系统设计和网络部署需要仔细考虑的问题。在同一小区内，不同热点地区部署的RN由于发射功率有限，不同RN可复用相同的无线资源，提高系统的资源利用效率。在不同RN或者RN与eNB小区边缘，RN之间或者RN与eNB之间可通过协作分集，充分利用无线信道的独立性，提高链路质量，从而获得链路容量的提升。仔细比较不难发现，协作分集与资源复用具有不同的应用场景。如图3所示，UE A与UE B可通过资源复用提升系统的资源效率；eNB与RN1、RN1与 RN2以及 RN3与 RN4可分别协作为UE D、UE C和UE E提供接入服务。由于UE C与UE E之间具有较大的空间隔离，因此UE C与UE E也可相互复用资源。总之，资源复用、协作分集与终端在网络中的位置，以及终端与网络中各节点的链路损耗密切相关。资源复用与协作分集可相互补充，充分发挥RN提供的空间资源提升系统整体容量。

3 Relay技术在LTE-Advanced系统中的标准化进展

依据不同的功能定位，3GPP共定义了两种类型的Relay，分别是Type I Relay与Type II Relay，其特征分别如下。

（1）Type I Relay[1]

·Type I RN拥有独立的物理层小区ID(PCI)，独立的同步信道和独立的公共导频；

· Type I RN具有对UE资源调度的能力，且由Type I RN直接向UE反馈上行传输的ACK/NACK；

·UE直接反馈调度请求(SR)，信道状态指示(CQI)和下行传输的ACK/NACK给Type I RN；

· 为了确保系统后向兼容，LTE UE(Rel.8)可将Type I RN视为LTE eNB(Rel.8)；

· 为了获得更好的系统性能，LTE-A UE(Rel.10)可区分Type I RN与LTE eNB。

（2）Type II Relay[2]

· Type II RN不具备独立的物理层小区ID(PCI)，不能建立新的小区；

· 至少LTE UE(Rel.8)不会检查到Type II RN的存在；

· Type II RN应该能够为LTE UE(Rel.8)提供上、下行中继服务；

·LTE UE(Rel.8)一方面接收来自LTE eNB的物理层下行控制信道(PDCCH)和公共导频信道(CRS)，一方面接收来自Type II RN的物理层下行共享信道(PDSCH)。

Type I与Type II Relay都是DF Relay，两者的本质差别是前者属于非透明Relay，后者属于透明Relay。正如§2的分析比较，非透明的Type I RN不仅可用于小区容量的提升，也可用于小区覆盖的扩展；但透明的Type II RN只能用于小区容量的提升，不能用于小区覆盖的扩展。由于Type II RN不具备独立的PCI，因此Type II RN不会创建独立的小区。在中继传输过程中，Type II RN能够更加灵活地与eNB相互协作，提高中继链路的传输质量。

在3GPP的第一个LTE-Advanced版本中，即3GPP Rel.10，Type I Relay由于较为清晰的技术路线和系统方案被Rel.10 WI(work item)采纳立项。下文重点结合LTE-Advanced系统标准化进展及Type I Relay技术方案。需要特别说明的是在 3GPP Rel.10 WI立项中，Type I Relay可以是 Outband Relay也可以是Inband Relay。由于Outband Relay的Un接口可复用Uu接口设计，因此不是标准化讨论的重点。下文重点介绍Inband Relay的研究进展。

（3）Un与Uu接口时分复用方案

Un接口指eNB与RN之间的空中接口；Uu接口指eNB或RN与UE之间的空中接口。作为Inband Relay，Un与Uu接口共用相同的载波资源，因此LTE-A系统采用了时分复用方案，即系统为Un与Uu接口分配不同的子帧资源。然而，LTE Uu接口在不同子帧之间具有一定时序关系。例如，上行传输过程采用了同步HARQ机制，如果某个下行子帧被分配给Un接口，其对应的Uu接口的下行ACK/NACK信息也将丢失，这势必会影响Uu接口的效率。为了避免Un接口对Uu接口的影响，LTE-A要求RN将下行Backhaul子帧设置为MBSFN子帧。在该子帧内，最开始的1～2个OFDM符号用于PDCCH信道传输，向 R-UE(驻留在Type I RN的UE）发射上行资源调度和下行ACK/NACK，其后的12～13个OFDM符号用于Backhaul数据传输，如图4所示。

图4 Relay下行Backhaul子帧

（4）Un接口子帧分配方案

RN可通过调度为Un接口上行传输预留传输资源(RN在Un接口上行传输时不能接收来自Uu接口的上行数据)。然而，由于LTE物理层上行控制信道PUCCH与物理层上行共享信道PUSCH频分复用，因此当RN向eNB发射上行数据时，无法再接收来自UE的上行控制信令，这势必会对Uu接口资源效率造成一定影响。例如，RN会由于Un接口上行传输丢失UE反馈的ACK/NACK信息，会造成Uu接口下行数据分组重传。为了避免或缓解这一问题，Un接口子帧分配需要满足下述设计准则。

·为Un接口分配的上、下行子帧最好是与Uu接口下行HARQ进程配对的上、下行子帧。

对于eNB，上、下行Backhaul子帧资源可以被RN独享，也可以被RN与M-UE(驻留在eNB的UE)复用。考虑RN与M-UE复用上行传输资源，为了简化eNB调度器设计，Un接口子帧分配需要满足下述设计准则。

·eNB对RN的调度与eNB对M-UE的调度最好具有相同的时序关系。

需要特别说明的是，上述两种Un接口子帧分配准则并不一定能够同时满足。例如，在LTE TDD上、下行子帧配比为3的情况下，下行子帧9调度上行子帧3，但上行子帧3却承载着下行子帧7和8的ACK/NACK信令，如图5所示。在这种情况下，优先确保哪个设计原则是系统设计中需要仔细权衡的问题。

图5 LTE TDD configuration 3上行调度与上行ACK/NACK反馈时序

（5）Un接口定时时序设计

虽然都是下行、上行子帧，RN时而向R-UE/eNB发射数据，时而接收来自eNB/R-UE的数据。对于半双工Inband Relay，RN需要频繁在收发状态间切换。然而，收发状态切换需要一定的延时。例如，LTE系统中eNB从收至发或者从发至收的转换时间均为17 μs[3]。虽然17 μs远小于OFDM符号周期，但LTE系统的最小时间单位是一个OFDM符号周期，这势必会造成资源浪费。以下行链路为例，如图4所示，第3个OFDM符号需要用于RN由发至收的转换，最后一个OFDM符号又需要完成由收至发的转换，收发转换达两个OFDM符号，资源开销为16.7%。

在LTE-A系统标准化过程中，一种RN定时偏移的技术方案被提出，如图6所示。RN下行子帧定时滞后eNB下行子帧传播延时与一个固定的时间偏移，该滞后的时间偏移量用于该下行子帧结尾处RN由收到发的状态转换。基于该方案，DL Backhaul子帧收发转换开销可节省一个OFDM符号，资源效率得到提高。然而，需要注意的是该方案不能支持RN与eNB定时同步，这会导致TDD系统出现较大的定时偏差。另外，由于丢失同步关系，RN与eNB也不能通过ICIC等技术方案缓解同频组网带来的干扰。考虑到上述因素，LTE-A系统最终支持两种Backhaul定时关系，分别是如图6所示的方案和eNB与RN保持绝对同步的定时方案[4]。至于上行同步，也有类似的技术方案，可参见参考文献[5]。

（6）Un接口控制信道设计

Un接口控制信道设计也是Type I Relay系统设计的重要课题。在3GPP标准化过程中，曾有公司提出Timing shift方案[6]，令RN与M-UE复用eNB的下行PDCCH信道。如前述原因，该方案会导致eNB与RN存在OFDM符号量级的定时偏差，不适于TDD系统应用，因此最终没有被大多公司支持。3GPP最终选择了为Type I Relay设计全新、独立的Backhaul控制信道，即R-PDCCH。关于R-PDCCH的设计关联到众多问题，例如，R-PDCCH信道资源复用，R-PDCCH信道交织设计，R-PDCCH信道盲检测与搜索空间设计等。由于篇幅有限，这里不再对各问题一一展开，可参见参考文献[7]。

图 6 LTE-A系统RN DL Backhaul子帧定时方案1

4 结束语

Relay不需要接入网络支撑，能够为移动通信运营商提供快捷、灵活的网络部署，不仅能够用于网络覆盖的扩展，也具备提升小区边缘和系统平均吞吐量的能力。小型一体化的Relay设备不仅能够方便工程部署，而且也会改变移动通信运营商传统网络建设的商业模式，可以有效节省网络建设成本与运营成本。本文在概述各种Relay技术方案的同时，介绍了Relay技术在3GPP LTE-Advanced系统中的标准化进展及部分方案设计。Relay的引入不仅涉及全新的空中接口——Un接口的设计，也关联到网络架构的更新。由于篇幅有限，本文重点介绍了3GPP RAN1中Type I Relay物理层方案设计涉及的相关问题，至于MAC及高层方案设计，读者可参考3GPP RAN2/3相关技术文稿。

1 R1-091098.Way forward on Relaying operation for LTE-A

2 R1-092264.Way forward for type II relay.Alcatel-Lucent

3 3GPP TS36.104 v8.8.0.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)，base station(BS)radio transmission and reception

4 R1-102548.WF on DL timing between RN and eNB

5 R1-100978.Timing of backhaul and access link in uplink

6 R1-094449.On the use of PDCCH for relaying

7 R1-103400.Way forward on multiplexing Un downlink data and grant